Крошечные солнечные водовороты могут хранить секрет раскаленной солнечной короны

Фото из открытых источников

Все чаще стало говориться об исследованиях разницы температур между поверхностью Солнца и его короной. Всё больше данных, полученных в ходе различных миссий, подпитывают эту волну открытий. Новая статья Катарины Никири из Эмбри-Риддл, недавно опубликованная в журнале The Astrophysical Journal Letters, дополняет этот растущий объём работ. Она утверждает, что миллионы крошечных водоворотов, разбросанных по поверхности Солнца, могут быть энергетическим двигателем, приводящим к этой разнице температур.

В начале этого года солнечный телескоп имени Дэниела К. Иноуэ (DKIST), расположенный на вершине острова Халеакала на острове Мауи, получил изображения поверхности Солнца с чрезвычайно высоким разрешением. Впервые ученые смогли различить вихри плазмы диаметром в несколько десятков километров, разбросанные по поверхности Солнца. Когда результаты этого исследования были опубликованы в августе, у Катарины Никири, по ее словам, случился настоящий «момент озарения».

Ее исследования были сосредоточены на волнах Кельвина-Гельмгольца. На Земле они чаще всего наблюдаются в виде разрушенных океанских волн или облаков с рябью. Однако они также присутствуют и в других частях Солнечной системы, формируя газовые структуры на Юпитере. На Солнце они возникают, когда быстро движущаяся плазма проходит мимо более медленной, намагниченной плазмы. Они содержат невероятное количество механической энергии. Вихри, создаваемые этими волнами, — это те самые структуры, которые DKIST зафиксировал на поверхности нашей звезды. Когда эти вихри вращаются по поверхности Солнца, их огромная кинетическая энергия передается в магнитные поля Солнца, преобразуя механическое движение в магнитное напряжение.

Никири поставила перед собой задачу ответить на вопрос, сколько энергии несут эти вихри и равна ли она общей энергии, необходимой для нагрева короны. После учета сдвига скорости, разницы плотности и вертикальной высоты торнадо она пришла к выводу. В среднем каждый вихрь содержит около двух септиллионов эрг — единицу энергии, обычно используемую в солнечной физике. На поверхности Солнца, занимающей 1,4 миллиона километров, миллионы таких вихрей вращаются и рассеиваются каждые несколько минут.

Когда эти вихри рассеиваются, их энергия должна куда-то деться. По словам Никири, она, по-видимому, попадает в корону посредством магнитной пересоединения. Физики, изучающие Солнце, давно считают, что этот процесс играет ключевую роль в нагреве короны. По мере вращения каждого вихря Кельвина-Гельмгольца он сжимает расположенные рядом линии магнитного поля. Это приводит к образованию сверхтонких токовых линий толщиной от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Как только они сжимаются до определённого предела, они начинают резко разрываться и перестраиваться. Это процесс магнитного пересоединения, который преобразует накопленную магнитную энергию в тепло и высокоскоростные плазменные струи, являющиеся фундаментальными компонентами солнечной короны. Другими словами, вихри Кельвина-Гельмгольца являются движущей силой процесса пересоединения линий магнитного поля Солнца.

Когда запасённая ими энергия высвобождается, ей нужно куда-то деваться. И эти вихри вызывают пересоединения не только в короне — они делают это и на поверхности. Так почему же корона кажется намного горячее? Из-за плотности частиц.

Когда магнитная линия резко обрывается на поверхности, энергия мгновенно распределяется между триллионами нейтральных атомов. Температура каждого атома соответственно повышается, но лишь на ничтожно малую величину. Однако в короне атомов гораздо меньше, но высвобождается такое же количество энергии. Поэтому каждый магнитный импульс повышает температуру отдельного атома в короне гораздо сильнее, чем на поверхности.

Согласно статье, лишь от пяти до восьми процентов механической энергии, запасенной в вихрях, должно преодолеть путь вверх к короне, чтобы восполнить тепло, которое в противном случае излучается. Даже в более темных «корональных дырах» максимум 21% энергии из вихрей способно поддерживать температуру короны.

Эта работа — важный шаг на пути к пониманию процесса нагрева, но необходимы дополнительные исследования. Учёным ещё предстоит отслеживать распространение волн и поляризацию через хромосферу. Это подтвердит, действительно ли в хромосферу Солнца поступает столько энергии, сколько, по мнению Никири, необходимо для поддержания температуры короны. Если её теория подтвердится, будет доказано, что некоторые из высоких температур на нашей звезде обусловлены относительно небольшими плазменными вихрями, перемещающимися по её поверхности.